Definition: Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist das chemische Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Es ist das leichteste und häufigste Element des Universums. Unter normalen Bedingungen tritt elementarer Wasserstoff überwiegend als farb- und geruchloses Gas aus zwei Wasserstoffatomen auf und wird als H₂ bezeichnet.
Auf der Erde kommt Wasserstoff kaum frei vor, sondern ist meist chemisch gebunden, beispielsweise in Wasser oder organischen Verbindungen. Soll Wasserstoff als Energieträger genutzt werden, muss er daher zunächst unter Einsatz von Energie hergestellt werden.
Wasserstoff als Energieträger
Wasserstoff ist keine primäre Energiequelle, sondern ein Energieträger. Energie wird zunächst eingesetzt, um Wasserstoff herzustellen und chemisch zu speichern.
Später kann der Wasserstoff wieder für industrielle Prozesse, Wärme oder Stromerzeugung genutzt werden.
Energiespeicherung
Die chemisch gebundene Energie des Wasserstoffs lässt sich über längere Zeiträume speichern.
Dadurch kann Wasserstoff besonders für Anwendungen interessant sein, in denen direkte Stromspeicherung schwierig ist.
Herstellung von Wasserstoff
Wasserstoff kann mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Die Umwelt- und Klimawirkung hängt stark von eingesetzten Rohstoffen und Energiequellen ab.
Eine zentrale Unterscheidung betrifft die Herstellung aus fossilen Energieträgern oder durch Elektrolyse mit Strom.
Wasserstoff aus Erdgas
Ein großer Teil des industriell genutzten Wasserstoffs wird traditionell aus Erdgas hergestellt.
Dabei wird Methan chemisch in Wasserstoff und kohlenstoffhaltige Produkte umgewandelt.
Dampfreformierung
Bei der Dampfreformierung reagiert Methan bei hohen Temperaturen mit Wasserdampf. Dabei entstehen Wasserstoff und Kohlenmonoxid.
In weiteren Reaktionsschritten wird zusätzlich Wasserstoff gewonnen und Kohlendioxid gebildet.
Kohlendioxidemissionen
Ohne Abscheidung gelangt das entstandene Kohlendioxid in die Atmosphäre.
Fossil erzeugter Wasserstoff kann deshalb erhebliche Treibhausgasemissionen verursachen.
Grauer Wasserstoff
Als grauer Wasserstoff wird häufig Wasserstoff aus fossilen Energieträgern bezeichnet, bei dessen Herstellung entstehendes Kohlendioxid direkt freigesetzt wird.
Er besitzt deshalb keine wesentliche Klimaschutzwirkung gegenüber anderen fossilen Energieträgern.
Methanemissionen
Zusätzlich zu den direkten Kohlendioxidemissionen können entlang der Erdgasförderung und des Transports Methanverluste auftreten.
Diese erhöhen die gesamte Klimawirkung.
Blauer Wasserstoff
Bei sogenanntem blauem Wasserstoff wird Wasserstoff ebenfalls aus fossilem Erdgas hergestellt, ein Teil des entstehenden Kohlendioxids jedoch abgeschieden und gespeichert.
Dadurch können die direkten Emissionen reduziert werden.
CO₂-Abscheidung
Die Klimabilanz hängt davon ab, welcher Anteil des Kohlendioxids tatsächlich erfasst und dauerhaft gespeichert wird.
Auch Methanemissionen aus der Erdgasbereitstellung bleiben relevant.
Elektrolyse
Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung ohne direkten Einsatz fossiler Kohlenstoffträger.
Elektrolyseur
Ein Elektrolyseur besteht aus elektrochemischen Zellen, in denen die Wasserspaltung stattfindet.
Es existieren unterschiedliche Elektrolysetechnologien mit verschiedenen Betriebsbedingungen.
Grüner Wasserstoff
Als grüner Wasserstoff wird üblicherweise Wasserstoff bezeichnet, der durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom hergestellt wird.
Seine Klimawirkung kann deutlich geringer sein als die von fossil erzeugtem Wasserstoff.
Erneuerbarer Strom
Entscheidend ist, dass für die Elektrolyse ausreichend Strom aus zusätzlichen oder tatsächlich verfügbaren erneuerbaren Quellen bereitsteht.
Andernfalls kann eine hohe Wasserstoffnachfrage indirekt fossile Stromerzeugung erhöhen.
Wirkungsgrad der Elektrolyse
Bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff geht ein Teil der Energie als Wärme verloren.
Die chemisch gespeicherte Energiemenge ist daher geringer als die eingesetzte elektrische Energie.
Umwandlungsverluste
Weitere Verluste entstehen bei Verdichtung, Transport, Speicherung und späterer Nutzung.
Direkte Stromnutzung ist deshalb energetisch häufig effizienter.
Power-to-Gas
Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff oder andere gasförmige Energieträger wird häufig als Power-to-Gas bezeichnet.
Überschüssiger erneuerbarer Strom kann dadurch chemisch gespeichert werden.
Langzeitspeicherung
Wasserstoff eignet sich grundsätzlich für Speicherzeiten von Tagen bis Monaten.
Dies unterscheidet ihn von vielen Batteriesystemen, die besonders für kürzere Zeiträume geeignet sind.
Speicherung von Wasserstoff
Da Wasserstoff unter normalen Bedingungen eine geringe volumetrische Energiedichte besitzt, muss er für viele Anwendungen verdichtet, verflüssigt oder chemisch gebunden werden.
Alle Verfahren benötigen zusätzliche Energie und Infrastruktur.
Druckspeicher
Gasförmiger Wasserstoff kann unter hohem Druck in speziellen Behältern gespeichert werden.
Solche Systeme werden beispielsweise in Fahrzeugen oder stationären Anlagen genutzt.
Flüssiger Wasserstoff
Wasserstoff kann bei sehr niedrigen Temperaturen verflüssigt werden.
Dadurch steigt die Energiedichte pro Volumen, allerdings ist die Kühlung energieaufwendig.
Kryogene Speicherung
Für flüssigen Wasserstoff sind stark isolierte Behälter notwendig.
Ein Teil des Wasserstoffs kann trotz Dämmung durch Wärmeeintrag verdampfen.
Unterirdische Speicherung
Große Wasserstoffmengen können möglicherweise in geeigneten unterirdischen Kavernen gespeichert werden.
Besonders Salzkavernen gelten für bestimmte Anwendungen als geeignet.
Saisonale Speicher
Unterirdische Speicher könnten große Energiemengen für längere Zeiträume aufnehmen.
Damit könnten sie in einem erneuerbaren Energiesystem zur saisonalen Absicherung beitragen.
Transport von Wasserstoff
Wasserstoff kann über Pipelines, Schiffe, Straßen- oder Schienenverkehr transportiert werden.
Welche Form sinnvoll ist, hängt von Entfernung, Menge und Infrastruktur ab.
Pipelines
Pipelines eignen sich besonders für große kontinuierliche Gasströme.
Bestehende Erdgasleitungen können teilweise angepasst werden, allerdings sind Material- und Sicherheitsfragen zu beachten.
Wasserstoff und Materialien
Wasserstoff kann in bestimmte Metalle eindringen und deren mechanische Eigenschaften verändern.
Dieser Effekt wird als Wasserstoffversprödung bezeichnet.
Werkstoffwahl
Leitungen, Ventile und Speicher müssen daher aus geeigneten Materialien bestehen.
Technische Standards sind entscheidend für einen sicheren Betrieb.
Sicherheit
Wasserstoff ist leicht entzündlich und bildet mit Luft in bestimmten Konzentrationsbereichen brennbare Gemische.
Gleichzeitig ist er sehr leicht und steigt bei Freisetzung schnell nach oben.
Leckageerkennung
Wasserstoff ist farb- und geruchlos und kann durch sehr kleine Öffnungen entweichen.
Geeignete Sensoren und Belüftungssysteme sind deshalb wichtige Sicherheitsmaßnahmen.
Brennstoffzelle
In einer Brennstoffzelle wird die chemische Energie von Wasserstoff elektrochemisch in Strom umgewandelt.
Dabei reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und es entsteht Wasser.
Elektrischer Wirkungsgrad
Brennstoffzellen können einen hohen Wirkungsgrad erreichen, verursachen jedoch erneut Umwandlungsverluste gegenüber direkter Stromnutzung.
Zusätzliche Wärme kann teilweise genutzt werden.
Wasserstoff zur Stromerzeugung
Gespeicherter Wasserstoff kann in Brennstoffzellen oder geeigneten Kraftwerken wieder in Strom umgewandelt werden.
Dies kann zur Absicherung längerer Perioden mit geringer Wind- und Solarstromproduktion beitragen.
Rückverstromung
Da sowohl Elektrolyse als auch spätere Stromerzeugung Verluste verursachen, ist die Gesamteffizienz geringer als bei direkter Stromspeicherung in Batterien.
Für Langzeitspeicherung kann der Ansatz dennoch sinnvoll sein.
Wasserstoff in der Industrie
Wasserstoff wird bereits heute in großen Mengen als Rohstoff in industriellen Prozessen eingesetzt.
Wichtige Anwendungen sind Raffinerien und die Herstellung von Ammoniak.
Chemische Industrie
Wasserstoff ist Ausgangsstoff für zahlreiche chemische Verbindungen.
Die Umstellung vorhandener fossiler Wasserstoffproduktion auf klimafreundlichere Verfahren kann deshalb frühzeitig Emissionen reduzieren.
Ammoniakherstellung
Ammoniak wird aus Stickstoff und Wasserstoff hergestellt und ist ein wichtiger Ausgangsstoff für Stickstoffdünger.
Traditionell stammt der benötigte Wasserstoff überwiegend aus fossilen Quellen.
Grünes Ammoniak
Wird erneuerbarer Wasserstoff verwendet, können die fossilen Emissionen der Ammoniakproduktion deutlich reduziert werden.
Der hohe Strombedarf der Elektrolyse bleibt jedoch relevant.
Wasserstoff in der Stahlindustrie
Bei der konventionellen Stahlherstellung wird Kohlenstoff eingesetzt, um Sauerstoff aus Eisenerz zu entfernen.
Wasserstoff kann diesen Prozess bei bestimmten Verfahren teilweise ersetzen.
Direktreduktion
Bei wasserstoffbasierter Direktreduktion wird Eisenerz mit Wasserstoff reduziert.
Statt Kohlendioxid entsteht bei der chemischen Reaktion überwiegend Wasserdampf.
Wasserstoff und Hochtemperaturprozesse
Bestimmte industrielle Prozesse benötigen sehr hohe Temperaturen und lassen sich nur schwer direkt elektrifizieren.
Wasserstoff kann dort als Brennstoff oder chemischer Rohstoff eingesetzt werden.
Gezielte Nutzung
Aufgrund des hohen Energiebedarfs der Herstellung ist Wasserstoff besonders für Anwendungen sinnvoll, für die effizientere direkte elektrische Lösungen fehlen.
Dies verbessert die Gesamteffizienz des Energiesystems.
Wasserstoff im Verkehr
Wasserstoff kann in Brennstoffzellenfahrzeugen für den Antrieb genutzt werden.
Die Brennstoffzelle erzeugt Strom, der einen Elektromotor versorgt.
Pkw
Bei Pkw ist batterieelektrischer Antrieb energetisch meist effizienter, weil deutlich weniger Umwandlungsschritte notwendig sind.
Wasserstoff kann daher eher in speziellen Verkehrsbereichen Vorteile besitzen.
Schwerlastverkehr
Für schwere Nutzfahrzeuge werden sowohl batterieelektrische als auch wasserstoffbasierte Systeme entwickelt.
Welche Technologie geeignet ist, hängt von Strecke, Ladeinfrastruktur und Nutzungsprofil ab.
Energieeffizienz
Auch im Schwerlastverkehr benötigt Wasserstoff pro gefahrenem Kilometer meist mehr erneuerbaren Strom als direkte Batterienutzung.
Andere praktische Anforderungen können dennoch für bestimmte Anwendungen relevant sein.
Schifffahrt
Direkter Wasserstoff ist aufgrund seines großen Speicherraumbedarfs für lange Schiffsreisen schwierig einzusetzen.
Daher werden auch wasserstoffbasierte Energieträger wie Ammoniak oder synthetische Kraftstoffe diskutiert.
Derivate
Wasserstoffderivate sind leichter zu lagern oder zu transportieren, benötigen aber zusätzliche Umwandlungsschritte.
Dadurch entstehen weitere Energieverluste.
Luftfahrt
Auch für die Luftfahrt werden Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe untersucht.
Die sehr niedrige volumetrische Energiedichte von gasförmigem Wasserstoff stellt jedoch hohe Anforderungen an Tanks und Flugzeugdesign.
Synthetische Kraftstoffe
Wasserstoff kann mit Kohlenstoffverbindungen zu flüssigen Kraftstoffen weiterverarbeitet werden.
Diese können bestehenderen Flugzeugkonzepten näherkommen, benötigen jedoch große Mengen erneuerbaren Stroms.
Wasserstoff in Gebäuden
Wasserstoff kann grundsätzlich in Heizungen verbrannt werden.
Für die Bereitstellung einer bestimmten Wärmemenge ist der dafür nötige erneuerbare Strom jedoch deutlich höher als bei einer Wärmepumpe.
Direkte Elektrifizierung
Wärmepumpen nutzen zusätzlich Umweltwärme und können daher aus einer Einheit Strom mehrere Einheiten Heizwärme bereitstellen.
Für viele Gebäude ist direkte Elektrifizierung deshalb effizienter.
Wasserstoff und Wärmenetze
In Wärmenetzen kann Wasserstoff prinzipiell als Brennstoff eingesetzt werden. Häufig sind jedoch Großwärmepumpen, Geothermie oder Abwärme energetisch günstiger.
Wasserstoff kann eher eine ergänzende Rolle für Spitzenlasten übernehmen.
Systemvergleich
Eine nachhaltige Wärmeplanung sollte unterschiedliche Technologien hinsichtlich Effizienz, Kosten und verfügbarer erneuerbarer Energie vergleichen.
Der bloße Ersatz von Erdgas durch Wasserstoff ist nicht immer die ressourcenschonendste Lösung.
Wasserbedarf
Elektrolyse benötigt Wasser als Ausgangsstoff. Im Verhältnis zu vielen anderen industriellen Wasserverbräuchen ist die benötigte Menge pro Energieeinheit begrenzt, kann bei großen Anlagen regional jedoch relevant sein.
Besonders in wasserarmen Regionen muss die Herkunft des Wassers berücksichtigt werden.
Entsalzung
In Küstenregionen kann Meerwasser entsalzt und anschließend für Elektrolyse aufbereitet werden.
Auch dafür werden Energie und technische Anlagen benötigt.
Wasserstoffimporte
Regionen mit hohem Energiebedarf können Wasserstoff oder daraus hergestellte Produkte importieren.
Potenzielle Produktionsstandorte liegen besonders dort, wo erneuerbarer Strom günstig und in großen Mengen verfügbar ist.
Transportverluste
Umwandlung, Verflüssigung und Transport verursachen zusätzliche Energieverluste.
Bei der Bewertung von Importen muss deshalb die gesamte Lieferkette betrachtet werden.
Infrastruktur
Eine umfangreiche Wasserstoffwirtschaft benötigt Elektrolyseure, Leitungen, Speicher, Importterminals und geeignete industrielle Anlagen.
Der Aufbau dieser Infrastruktur erfordert hohe Investitionen und große Materialmengen.
Wasserstoffnetz
Ein eigenes Leitungsnetz kann große industrielle Verbraucher und Speicher miteinander verbinden.
Besonders in Industrieclustern kann eine gemeinsame Infrastruktur sinnvoll sein.
Wasserstoff und Stromsystem
Elektrolyseure sind große Stromverbraucher, können ihren Betrieb aber teilweise an das Stromangebot anpassen.
Dadurch können sie Flexibilität im Stromsystem bereitstellen.
Überschussstrom
Bei sehr hoher Wind- oder Solarstromproduktion kann Elektrolyse Strom aufnehmen, der sonst möglicherweise abgeregelt würde.
Für eine große Wasserstoffwirtschaft reichen gelegentliche Überschüsse allein jedoch nicht aus.
Zusätzliche erneuerbare Energien
Eine klimafreundliche Wasserstoffproduktion benötigt große Mengen erneuerbaren Stroms.
Der Ausbau der Elektrolyse muss deshalb mit zusätzlicher Wind- und Solarstromerzeugung verbunden werden.
Flächen- und Rohstoffbedarf
Mehr erneuerbare Stromerzeugung benötigt zusätzliche Anlagen, Netze und Materialien.
Effiziente Nutzung des erzeugten Wasserstoffs ist daher auch eine Frage der Ressourcenschonung.
Wasserstoff und Klimaschutz
Wasserstoff kann Treibhausgasemissionen reduzieren, wenn er mit emissionsarmem Strom hergestellt und in Bereichen eingesetzt wird, in denen fossile Energieträger schwer anders zu ersetzen sind.
Sein Klimanutzen ist damit stark von Herstellung und Anwendung abhängig.
Gesamte Lieferkette
Stromerzeugung, Elektrolyse, Transport, Speicherung und Nutzung müssen gemeinsam bilanziert werden.
Nur die Emissionsfreiheit am Ort der Nutzung reicht für eine Bewertung nicht aus.
Wasserstoffverluste
Wasserstoff kann entlang von Produktions-, Speicher- und Transportsystemen entweichen.
Obwohl er selbst kein klassisches starkes Treibhausgas wie Kohlendioxid oder Methan ist, kann er indirekt atmosphärische Prozesse beeinflussen.
Leckageminderung
Dichte Infrastruktur und technische Überwachung sind daher sowohl aus Sicherheits- als auch aus Umweltgründen wichtig.
Leckagen sollten möglichst gering gehalten werden.
Farbenlehre des Wasserstoffs
Bezeichnungen wie grüner, grauer oder blauer Wasserstoff beschreiben nicht die tatsächliche Farbe des Gases, sondern unterschiedliche Herstellungswege.
Weitere Farbbegriffe werden ebenfalls verwendet.
Grenzen der Farbbezeichnungen
Die einfache Farbkategorie sagt nicht immer ausreichend über die tatsächliche Klimabilanz aus.
Entscheidend sind konkrete Energiequellen, Emissionen und Prozessbedingungen.
Wasserstoff und Energiewende
Wasserstoff kann eine wichtige Ergänzung eines weitgehend erneuerbaren Energiesystems sein. Besonders relevant ist er für industrielle Rohstoffe, bestimmte Hochtemperaturprozesse und langfristige Energiespeicherung.
Er ist jedoch aufgrund der Umwandlungsverluste kein universeller Ersatz für direkte Elektrifizierung.
Priorisierung
Eine effiziente Energiewende setzt Wasserstoff vor allem dort ein, wo Strom nicht direkt oder nur schwer genutzt werden kann.
Dadurch lässt sich der notwendige Ausbau erneuerbarer Stromerzeugung begrenzen.
Zusammenfassung
Wasserstoff ist ein chemisches Element und kann als Energieträger sowie industrieller Rohstoff genutzt werden. Da er auf der Erde überwiegend gebunden vorkommt, muss er mit Energie hergestellt werden. Besonders klimafreundlich kann die Elektrolyse mit erneuerbarem Strom sein.
Wasserstoff lässt sich speichern, transportieren und für Industrie, Stromerzeugung und bestimmte Verkehrs- oder Wärmeanwendungen einsetzen. Wegen erheblicher Umwandlungsverluste ist direkte Elektrifizierung jedoch häufig effizienter. Seine wichtigste Rolle in der Energiewende liegt daher voraussichtlich in Anwendungen, für die andere klimafreundliche Alternativen technisch schwer verfügbar sind.
